First principles based simulations of instabilities and turbulence

第一原理に基づく不安定性及び乱流のシミュレーション

Villard, L.*; Angelino, P.*; Bottino, A.*; Allfrey, S. J.*; Hatzky, R.*; 井戸村 泰宏   ; Sauter, O.*; Tran, T. M.*

Villard, L.*; Angelino, P.*; Bottino, A.*; Allfrey, S. J.*; Hatzky, R.*; Idomura, Yasuhiro; Sauter, O.*; Tran, T. M.*

ジャイロ運動論に基づく近年の第一原理プラズマ乱流シミュレーションの現状をレビューするとともに、ジャイロ運動論におけるv//非線形性,ジャイロ運動論的Poisson方程式における幾何効果の厳密な取り扱いといった、これまでの近似的に無視されてきた問題がシミュレーション結果に及ぼす影響を定量的に議論した。これらの効果の注意深い取り扱いの結果、エネルギー・密度保存を満足する乱流シミュレーションが可能になった。新しいシミュレーションでは(1)乱流の広がりが熱流速のバーストと圧力分布の局所平坦化の連鎖的な雪崩現象で生じる,(2)非線形の駆動されるEB流はイオンラーマー半径の30倍程度のスケール長のグローバルなシア流になるといった、以前のシミュレーションでは見られなかった現象が明らかになった。

This paper reviews the present status of recent first principles based plasma turbulence simulations, and gives quantitative discussions on influences of the v// nonlinearlity and the geometry effects in the gyrokinetic Poisson equaiton, which are ignored in the conventional approximations, on simulations results. Careful treatments of these effects enable turbulence simulations satisfying the conservation of the energy and the particle number. The new simulation disclosed new phenomena, and it is found that (1) turbulence spreading is induced by avalanche like phnemena consisting of bursty heat transport and local flattening of pressure profiles, and (2) nonlinearly driven EB flows become global shear flows with scale lengths of about 30 ion gyro radii.